瞬态弱磁场测量系统的研究

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第四章 2D瞬态磁场分析

第四章２-Ｄ瞬态磁场分析4.1什么是瞬态磁场分析瞬态磁场分析处理的既不是静态的也不是谐波的磁场，而是由电压、电流或外加场的随时间无规律变化所引起的磁场变化。

在瞬态磁场分析中我们所感兴趣的典型物理量是：·涡流·涡流致使的磁力·涡流致使的能量损耗瞬态磁场分析可以是线性，也可以是非线性。

4.2 2-D瞬态磁场分析中用到的单元在涡流区域，瞬态模型只能用矢量位方程描述。

只能用下列单元类型来模拟涡流区。

表12D实体单元单元维数形状或特性自由度PLANE13 2-D四边形，4节点；或三角形，3节点最多每节点4个，磁矢势(AZ)、位移、温度或时间积分电势PLANE53 2-D四边形，8节点；或三角形，6节点最多每节点4个，磁矢势(AZ)、时间积分电势、电流或电动势降。

表2通用电路单元单元维数形状或特性自由度CIRCU124 无通用电路单元，最多达6节点每个节点最多有三个：电势、电流或电动势降4.3 创建2D瞬态磁场分析的物理环境如同ANSYS其他类型分析一样，瞬态磁分析要建立物理环境、建模、给模型区域赋属性、划分网格、加边界条件和载荷、求解、然后检察结果。

2D瞬态磁分析的大多数步骤都相同或相似于2D静态磁场分析步骤。

本章讨论2D瞬态磁场分析中需要特殊处理的部分。

关于2D瞬态磁场分析中如何设置GUI参考框、单元选项（KEYOPTs）、实常数、单位制与2D静态磁场分析相同，第2章已经作了详细描述。

当定义材料性质时，一般也采用与第2章中同样的方法。

4.4 建立模型，划分网格，指定属性《ANSYS建模与分网指南》详细介绍了建模过程。

建立了模型后，对每个模型区要指定属性，即指定在第一步中定义好的单元类型、单元选项、材料特性、实常数、单元坐标系等。

使用AATT或VATT命令或其等效路径来指定属性。

详见第2章静态磁场分析部分。

4.5 施加边界条件和励磁载荷在瞬态磁分析中，可将边界条件和载荷施加到实体模型上（关键点、线和面），也可以施加到有限元模型上（节点和单元）。

弱磁场测量仪器的进展和应用解读

电源同频的和不同频的交流分量也都有相应的限制。

界上至少有二十几个研究小组在开展这方面的工作〔〕。

在环境的杂散磁场中的磁场影响最大千扰磁场 , 。

, 随时间作单调变化、用噪声源 , 测量人体磁场时 , 为消除各种 , 例如 , 离高压线较近的工频电车汽车的移动。

、一方面可以采用磁屏蔽的办法另一附近有火车、方面也可以利用一次或二次微分形式的梯度探头。

大型机电设备的动作等造成的干扰磁场。

、赫尔辛基工业大学建成了目前最好的磁屏 , , 测量环境杂散磁场直流分量或波动的最简蔽室〔。

〕该室除用于测量人体的心磁图和脑单仪器是磁通门磁强计它的灵敏度高测量的范围宽偿力 , 、磁图外还可用于研究磁场对细菌生长的作用。

可以直读、有的仪器还带有地磁场补。

以及某些化学反应中磁化率的变化测试磁场的变化很方便同时也可以用质需要和赫姆霍茨。

由于环境污染而造成的矽肺病场可达。

一 , 其稳态磁 , , 子旋进磁强计〔〕这种磁强计有很高的分辨 , , 。

以上 , 。

沉积在肺中的磁性物质很。

, 但是测量的范围很有限难用射线测出场较高 , 而利用磁场测量可以判明工线圈配合起来使用应线圈法来测量示。

操作和计算也较复杂 , 并且可用作了解肺功能缺陷的手段除用测量外 , 由于肺磁测量环境杂散磁场交流分量一般利用感还可以利用高。

其中最简单的是利用平均值电压表 , 灵敏度的磁通门梯度计来测量四、为了有较高的灵敏度 , 可采用匝数多展望弱磁场测量技术和弱磁传感器的应用十分的感应线圈 , 。

并接到积分器、放大器后再显或者用高灵敏度的数字磁通表来直接测量广泛对于有严重干扰的杂散磁场 , , 在最近十几年来已经有了很迅速的发 , 必须找出其 , 展。

展望未来的十年 , 弱磁场磁强计也必然会。

来源而消除掉。

对于无法消除的杂散磁场。

要成为磁测量仪器的开路先锋场测量技术的发展、今后 , 我国弱磁采取屏蔽的方法在一些国家的弱磁场试验室。

至少有以下几方面任务 , 中都建设有大型的多层磁屏蔽室推广磁通门磁强计的应用、发展高灵 , , 有时候还要求知道某种设备内部器件的移敏的、小探头的梯度探头的等系列化形式一“ 动带来的干扰磁场以及仪器内部电路之间的干扰磁场、其测量上限要求扩展到工。

光纤瞬态磁场传感器的研究及其应用

第23卷第1期中国电机工程学报Vol.23 No.1 Jan. 20032003年1月Proceedings of the CSEE ©2003 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013（2003）01-0088-05 中图分类号：TM714 文献标识码：A光纤瞬态磁场传感器的研究及其应用张卫东，崔翔（华北电力大学电力工程系，河北　保定　071003）　DEVELOPMENT OF AN OPTICAL FIBERTRANSIENT MAGNETIC FIELD SENSOR AND ITS APPLICATIONZHANG Wei-dong, CUI Xiang（North China Electric Power University, Baoding 071003, China）ABSTRACT: In order to measure the transient magnetic field due to switching operations in high voltage substations, an optical fiber sensor is developed. A single loop is used as inductive probe of the sensor, and the sensing signal is transmitted to the receiver via an optical fiber link. In order to compensate the frequency characteristic of the probe, a digital frequency balancing method is studied, and the digital balancing network is designed. The results of the testing in laboratory and measured in substation show that the specifications of the sensor satisfy the requirements for measuring the transient magnetic field in substations.KEY WORDS: optical fiber sensor; substation; switching operations; transient magnetic field; digital frequency balance摘要：为了对超高压变电站的开关瞬态磁场进行有效的测量，该文研制了一套光纤瞬态磁场传感器。

瞬变电磁测深法

四）瞬变电磁测深法（水文地质工作手册）1、方法原理简介瞬变电磁测深法(简称TEMS)是一种时间域电磁法。

基于电性差异，以阶跃波形电磁脉冲激发，利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间(断电后)，利用线圈或接地电极测量由地下介质产生的感应二次场（二次涡流场）随时间的变化，达到寻找目标地质体的地球物理勘探方法。

其数学物理基础为电磁感应原理，即导电介质在阶跃变化的激励磁场的激发下产生涡流场的问题。

一次脉冲信号。

二次场信号表示为：52M q Vμ⋅⋅=(1) 式中：0μ为磁导率；M 为发送线圈磁矩；q 为接收线圈等效面积；ρ为地层电阻率；t 为时间。

从上式中可以看出，二次场信号与34ρ ，54t 成反比，当探测地下良导电地质体时。

在往地面敷设的发送回线中通以一定的脉冲电流。

使回线中间及周围一定区域内便会产生稳定的磁场(称一次场或激励场)，如果一次电流突然中断，则一次磁场随之消失，使处于该激励场中的良导电地质体内部由于磁通量Φ的变化而产生感应电动势d dt ε=-Φ (据法拉第电磁感应定律)，感应电动势在良导电地质体中产生二次涡流，二次涡流又由于焦耳热消耗而不断衰减，其二次磁场也随之衰减(见图1)。

由于感应二次场的衰变规律与地下地质体的导电性有关，导电性越好，二次场衰减越慢；导电性越差，二次场衰减越快。

因此，通过研究二次场的衰减规律便可达到探测地下地质异常体的目的。

图1 TEM 法工作原理示意图瞬变电磁场在大地中主要以扩散形式传播，在这一过程中，电磁能量直接在导电介质中由于传播而消耗，由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是源下面的局部，较低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。

传播深度：d= （2）传播速度：zd V t ∂==∂ （3）式中：t — 传播时间；σ —介质电导率；0μ— 真空中的磁导率。

由(2)式得：72210t h p π-=⨯， (4) 在中心回线下，时间与表层电阻率之间的关系可写为：()()2125031400I L t ηπρμ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦= (5) 联立(4)(5)式，可得中心回线装置估算极限探测深度H 的公式为:15210.55L I Hρη⎛⎫ ⎪⎝⎭= (6)mR N η=式中:I — 发送电流；L — 发送回线边长；1ρ—上覆电阻率；η—最小可分辨电压，它的大小与目标层几何参数和物理参数及观测时间段有关。

弱磁检测技术及应用-于润桥

用超声检测对1号角焊缝
同位置同方向进行检测验证，结
果显示缺陷有两处，分别在60mm 和80mm左右。
环焊缝检测
用弱磁检测仪对环焊缝进行检测，由显示结果可以得出在 100mm 、 180mm 、 300mm 处存在缺陷， 300mm 处缺陷较大。并用超声对其进行验证。
环焊缝检测曲线图
用超声检测对环焊缝同位置同方向进行扫查，结果显示在300mm处有缺陷。
无损检测教育部重点实验室南昌航空大学弱磁检测在电厂中的应用34弱磁检测原理一弱磁检测原理弱磁检测技术是一种被动式检测技术即待检工件在自然地磁场环境下凭借材料缺陷处磁导率与材料本身磁导率的变化通过测量材料表面的磁感应强度对材料内部损伤进行定性检测及定量评估
无损检测教育部重点实验室南昌航空大学于润桥
多次检测对比
得出锻件的具体缺陷。
二、技术指标及检测能力
整体指标：工作温度：-20℃∽170℃ 磁传感器分辨率：1nT 1.对铁磁性材料进行检测 ● 检测腐蚀缺陷时，最小可检测占壁厚1/10的腐蚀。
● 检测裂纹缺陷时，最小可检测裂纹的深度为0.5mm。
● 检测管道堵塞时，最小可检测占管道截面积5%的堵塞。 2.对非铁磁性材料进行检测 ● ● ● ● 铝合金材料:最小能够检测出 Φ 0.4mm 孔洞缺陷。复合材料:最小能够检测出面积大于等于 Φ 2mm 分层缺陷。有机玻璃:最小能够检测出面积大于等于 Φ 1mm 银纹缺陷。晶体硅:最小能够检测出大于等于 40μ m 的杂质缺陷。
率的不同导致穿过该区域的磁力线发生变化，可通过对包
覆层表面磁场的测量来实现管道内外部损伤的检测和评估。
包覆层管道检测——裂纹
左侧
左侧
用弱磁检测仪对左侧15号区域进行检测，检测结果如右图所示，为了验证其准确性用超

高频脉冲弱磁场检测技术的研究

Ｆｇ６Ｄｔｕｃｔｎｐｏｅｓｇａｉ．ａａｔｎａｉｒｃｓｉ．（】Ｄａａｔｕｃｔｎｓｔｎｐ；【ｒｏｎｔｒｎａｉｅｔｇｕｏｉｂ）Ｗａｅｏｍｆｒｎａｅｉｎｌｖｆｒｏｕｃｔｄｓａｔｇ
由于模拟积分电路所用的运放、电容、电阻等均为非理想器件，分结果会受到多种因素影响 Ⅲ 。而积
性，形积分法积分结果随实际频率增高而线性衰矩
减。以文中激励参数为例，ｐ＝０ＯＶ，ｚＶ。５．ｆ＝１ＭＨ，采样频率为＝０Ｈｚ５０Ｍ，＝００２＜００。分别．０．１
积分算法的选择遵循以下原则：采样频率和低
ｍｅｈｄｆｒｐｌｅｇｅｉ —ｉｌｓｄｓｇｅｎｔｉｐｐｒＡｅｉｅｍａｅｏｏｆｒｏｇｅｉｔｒａｓｔｏｏｕｓｄｍａｎｔｆｄｗａｅｉｎｄｉｈｓａｅ．ｃｅｄｖｃｄｆｎｎｅｒｍａｎｔｍａｅｉｌｗａｃ
数字积分性能稳定，关键部分在于积分算法，果其结的一致性较好。
积分器。由图７ａ知，实际频率为０—００（）当．１倍时，３种积分算法的幅频响应差异并不大；仅梯形但
算法和辛普森算法的相频响应有较好的线性一致
ｉｄｐｎｅｔｙｄｓｇｅａｄｐｌｄｏｕｓｄｎｅｅｄｎｌｅｉｎｄｎａｐｉｔｐｌｅｍａｎｔｆｌｍｅｓｒｍｅｔＩｅｄｎｃｕａｅｙｅａｉｅｅｇｅｉｉｄｃｅａｕｅｎ．ｔｈｌａａｃｒｔｌｒｌｔｖ

小尺度浅层瞬变电磁测量方法与装置基础研究的开题报告

小尺度浅层瞬变电磁测量方法与装置基础研究的开题报告一、研究背景和意义随着现代电子信息技术的不断发展与更新，人们对地球物理探测技术的需求日益增加，特别是对地下结构的探测需要更加精细的工具和方法。

电磁法是一种被广泛应用的地球物理勘探方法，其有着许多优点，如无损测量、高精度、非接触等。

然而，传统电磁法所采用的信号源发射的电磁波能量较大，深部探测效果较好，但在小尺度浅层地下探测中却难以适用。

因此，小尺度浅层瞬变电磁测量方法的研究对于解决该问题具有非常重要的意义。

二、研究内容该项目的研究内容主要涉及以下几个方面：1. 对小尺度浅层瞬变电磁测量方法的理论进行深入的研究和分析；2. 根据研究结果设计与之匹配的小尺度浅层瞬变电磁测量装置；3. 对装置进行实验验证，并根据实验数据进行分析。

三、研究方法本研究将结合电磁学、地球物理学等相关学科的理论知识，首先对小尺度浅层瞬变电磁测量方法进行深入的研究分析，明确其物理机制和测量原理。

然后，设计和制作与之相匹配的小尺度浅层瞬变电磁测量装置。

最后，进行实验验证，并根据实验数据对研究结果进行分析。

四、研究预期成果本项目拟采用研究方法探索小尺度浅层瞬变电磁测量方法，并根据研究结果设计与之相适应的测量装置，最终实现小尺度浅层地下结构探测。

该研究具体的预期成果包括：1. 研究小尺度浅层瞬变电磁测量方法的物理机制及测量原理，并建立相关的理论模型；2. 开发一种与之相对应的小尺度浅层瞬变电磁测量装置；3. 通过实验验证，证明该装置在小尺度、浅层地下结构探测方面的有效性。

五、研究计划1. 第一年：研究小尺度浅层瞬变电磁测量方法理论，建立相关理论模型。

2. 第二年：根据理论模型，设计相应的测量装置，并进行初步的实验验证。

3. 第三年：进一步完善装置设计，进行深入的实验研究，验证研究成果。

六、项目进度安排第一年：研究小尺度浅层瞬变电磁测量方法的理论，并建立相应的理论模型。

第二年：根据理论模型，设计相应的测量装置，进行初步的实验验证。

数字式弱磁场测量仪的研制及其应用

通讯等领域被广泛应用外．现已在大学
物理实验教学中得到了应用…。９Ａ型集５成线性霍尔传感器的内部结构、外形和输出特性如图ｌ所示。它由霍尔元件放火器和薄膜电Ｉ．Ｕｓ￣成的剩余电压补偿器组Ｕ成。实际测量磁感应强度时输出信号大，且不必考虑剩余电压的影响。电源电压一般为５．在磁感应强度为零时．ｖ输出电压为２５０．０Ｖ。当霍尔传感器与磁感应强度Ｂ垂直时．该传感器输出电压ｕ与磁感应强度Ｂ的关系为：
１引言
本文介龆了用集成线性霍尔情感器匈探头的
高更敏度数字式弱磁｛而测量仪的研制．诙仪器可显示１× １ —６Ｔ磁粤应强度变化＋适０用千弱磁埽的洲量
往大学物理实验Ｉ｝常需删量ｌＴ以Ｆｎｉ的弱磁场。传统的实验方法是用探测线圈配以指针式交流电压表来进行测量
根据本仪器的量程及准确度，选用
象至探头位置或接通被测对象励磁电源即
可。
本仪器的独特之处在于探头部分选用了两只配对的灵敏度相同的９Ａ型集成霍５
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拽性霞尔传惑露；硒磁增籼量憧，蛮姆雀Ｉｒｄｏ￣；ｔｆｎｏＵｅ
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一种瞬态电磁弱信号提取方法及提取系统[发明专利]

专利名称：一种瞬态电磁弱信号提取方法及提取系统专利类型：发明专利
发明人：姚金杰,白建胜,孙兴丽,杨志良,戚俊成,王黎明申请号：CN202210271050.8
申请日：20220318
公开号：CN114648045A
公开日：
20220621
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种瞬态电磁弱信号提取方法及提取系统，属于电磁信息探测与处理领域，构建可扩展、多原点的正弦型结构元素，作为滤波窗口与待分析瞬态电磁弱信号的几何特征进行匹配并对时域局部信号进行修正，可以有效提取信号的边缘轮廓和形状特征；基于滤波结果信号的正、负极性幅度特征比值指标，结合峰度‑信噪比特征系数来自适应优化结构层数，自适应多结构层数滤波可以有效去除混叠在信号中的大尺度噪声干扰和基线漂移，对于失真的信号实现识别、重构和增强潜在的形态，实现对瞬态电磁弱信号的结构成分提取和特征识别；并融合电磁信号时频变换，可以从强背景噪声环境中提取和重构瞬态电磁弱信号，实现对瞬态电磁弱信号特征的全面提取。

申请人：中北大学
地址：030051 山西省太原市尖草坪区中北大学信息与通信工程学院
国籍：CN
代理机构：北京高沃律师事务所
代理人：杜阳阳
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弱磁场中漏磁检测技术的研究

摘要：漏磁（ＭＦＬ）检测技术是应用最为广泛的铁磁性管道缺陷检测技术。为研究弱磁环境下漏磁检测信号的特征，在磁饱和检测模型的基础上，建立了弱磁激励检测模型，对弱磁激励下的检测精度、信号特征和分布规律进行了研究。结
果表明，弱磁环境下，传感器对缺陷具有一定的检测能力，并且内外缺陷的径向检测信号在分布特征上具有明显的差别，
２０１４钲
仪表技术与传感器
ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ
２０１３
Ｎｏ．１
第１期
弱磁场中漏磁检测技术的研究
杨理践，刘斌，高松巍
１１０８７０）（沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍａｇｎｅｔｉｃｌｆｕｘｌｅａｋａｇｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｔｈｅｍｏｓｔｃｏｍｍｏｎｌｙｐｉｐｅｌｉｎｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｍａｇ — ｎｅｔｉｃｌｆｕｘｌｅａｋａｇｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｃｈａｒａｃｔｅｉｒｓｔｉｃｓｉｎｗｅａｋｍａｎｅｇｔｉｃｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｅｗｅａｋｍａｇｎｅｔｉｃｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｓａｔｕｒａｔｉｏｎｍｏｄｅ１．Ｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌ・ｅｘｔｅｒｎａｌｄｅｆｅｃｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄ，ｂｅｓｉｄｅｓｔｈｅｓｉｇｎａｌｃｈａｒａｃ — ｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｉｓａｎａｌｙｚｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｉｆｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｉｎｗｅｅｋｍａｇｎｅｔｉｃｉｆｅｌｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅ — ｓｕｈｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｅａｋｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｔｈｏｄｈａｓｃｅｒｔａｉｎｔｅｓｔｉｎｇａｂｉｌｉｔｙｔｏｄｅｆｅｃｔｓ，ｂｕｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｉｓｌｅｓｓｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｓａｔｕｒａｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒａｄｉａｌｓｉｇｎａｌｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎｏｆｉｎｔｅｎａｒｌａｎｄｅｘｔｅｎａｒｌｄｅｆｅｃｔｓｉｎｗｅａｋｍａｇｎｅｔｉｃｉｆｅｌｄｉｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔ，ａｎｄａｘｉａｌｓｉｇｎａｌｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎｉｓｂａｓｉｃｌｌａｙｔｈｅｓａｍｅ．Ａｓｔｈｅｗｉｄｔｈｏｆｄｅｆｅｃｔｉｓｃｅｒｔａｉｎ，ｔｈｅｒａｄｉａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｉｇｎｌｓａｆｏｉｎｎｅｒａｎｄｏｕｔｅｒｄｅｆｅｃｔｓｃｈａｎｇｅｗｉｔｈｄｅｐｔｈｉｎｓｔｅａｄ，ａｎｄａｓｔｈｅｄｅｐｔｈｏｆｄｅｆｅｃｔｉｓｃｅｒｔａｉｎ，ｔｈｅｒａｄｉｌａｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｓｏｆｉｎｎｅｒｄｅｆｅｃｔｓｃｈａｎｇｅｗｉｔｈｗｉｄｔｈｍｏｒｅｑｕｉｃｋｌｙ．Ｒｅｓｅｒｃａｈｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｉｄｅａｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃｂａｓｉｓｆｏｒｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｌｆｕｘｌｅａｋａｇｅｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｎｄｉｄｅｎｔｉｉｆｃａｔｉｏｎｏｆｉｎ —

雷电迎面先导过程中瞬态电磁场的检测与分析

ｃｏｍｍｕｎｉｃａｉｔｏｎｓｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｈ曲ｔｎｉｎｇ，ｗｅｓｈｏｕｌｄｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｉｎｉｉｔａｌｓｔａｇｅｏｆｌｉｇｈｔｎｉｎｇ
Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｌｉｇｈｔｎｉｎｇｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｅｆｌｄｉｎｔｈｅｆａｃｅｏｆｔｈｅ
人类对雷电的认识不断得到加深，从雷电的放电初始阶段到雷电的形成以及放电结束都在不断的研究。国内外对雷电产生的磁场的研究大多都停留在雷电发展中晚期阶段，对雷电产生迎面先导瞬间的电磁场研究甚少。雷电是大气运动产生的一种放电荷就会通过主放电通道向地面物体进
ｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｔｉｃｍｅｈｏｄｔｓｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｅｆｌｄｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｌａｙｔｈｅ
行放电。随着其他的下行先导与上行先导的发展到最后跃变，也将会形成主放电通道。而在雷电的初级阶段是控制雷电的最有效时期，故对雷电迎面先导中瞬态电磁场的研究是非常

测弱磁场课程设计

测弱磁场课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解磁场的概念，掌握弱磁场的特性及测量原理。

2. 学生能掌握测弱磁场的实验方法，了解相关仪器的使用和操作步骤。

3. 学生了解磁场单位及其换算关系，能准确读取和记录磁场数据。

技能目标：1. 学生能运用所学知识，设计简单的测弱磁场实验方案，进行实验操作。

2. 学生能正确使用测弱磁场的仪器设备，进行数据采集和处理。

3. 学生能通过实验分析，解决实际磁场测量中的问题，提高实验技能。

情感态度价值观目标：1. 学生培养对物理实验的兴趣，增强探究精神和合作意识。

2. 学生在学习过程中，培养严谨的科学态度和良好的实验习惯。

3. 学生通过本课程的学习，认识到磁场测量在科学研究和技术应用中的重要性，激发对物理学科的学习热情。

二、教学内容本课程依据课程目标，结合教材第四章“电磁学”相关内容，组织以下教学安排：1. 磁场基本概念：磁场定义、磁场线、磁感应强度等。

2. 弱磁场特性：介绍弱磁场的特点，如空间分布、变化规律等。

3. 测量原理：磁感应强度测量原理，包括霍尔效应、磁通量测量等。

4. 实验方法与设备：介绍测弱磁场实验方法，如霍尔传感器、磁通门传感器等设备的使用。

5. 实验步骤：详细讲解实验操作步骤，包括仪器连接、设备调试、数据采集等。

6. 数据处理与分析：介绍数据处理方法，如误差分析、数据拟合等。

7. 实际应用：探讨磁场测量在科学研究、工程技术等领域的应用。

教学内容按以下进度安排：1. 第一节课：磁场基本概念、弱磁场特性、测量原理。

2. 第二节课：实验方法与设备、实验步骤。

3. 第三节课：实验操作、数据采集、数据处理与分析。

4. 第四节课：总结讨论，实际应用案例分析。

三、教学方法针对本课程内容特点，采用以下多样化的教学方法，以激发学生学习兴趣和主动性：1. 讲授法：对于磁场基本概念、测量原理等理论性较强的内容，采用讲授法进行教学。

通过生动的语言、形象的表达，帮助学生建立完整的知识体系。

弱磁场测量方法解读

弱磁场测量方法的研究杨阳胡超陈冬梅戴厚德阳万安中科院深圳先进技术研究院摘要磁场测量技术是研究磁现象的重要手段，在国防、工业、医疗、交通等领域有广泛的应用。

随着电子信息技术的进展，磁场测量有向弱磁方向发展的趋势。

本文根据当前磁场测量的现状以及发展趋势，介绍常见的弱磁场测量基本原理和方法；并针对我们开发的基于3轴AMR 磁传感器HMC1043和单片机的手持式智能三轴磁场测量与定位仪，用实例介绍有关弱磁场测量的技术手段。

关键词弱磁场，测量，3轴磁场传感器1 前言磁场测量技术是研究磁现象有关物理现象的重要手段，已经逐渐形成为一门独立的科学。

在科学研究、国防建设、工业生产、医疗仪器、日常生活等领域，磁场测量常常起着越来越重要的作用。

磁场测量是一门历史悠久并且不断发展的技术科学[1]，是电磁测量技术的一个重要分支。

远在公元一千年前，我们的祖先就知道了指南针有极性，并将其制成罗盘用于旅行和航海，这可称为世界上第一个磁场测量的仪器[2]。

目前，由于磁测量技术的广泛应用，大大丰富了磁测量的内容，该技术几乎涉及所有的电测量方法。

利用了各种电磁现象，发展了许许多多的技术应用；并且随着电子技术、计算机技术、自动化技术、冶金工艺、机械制造与工艺技术的发展，磁场测量已经走向小型化、电子化、数字化、和自动化，性能大为改善，磁场测量已向宽量程和高精度发展，特别是弱磁场的测量。

弱磁场测量为磁技术的应用开辟了新的领域，如人体体内磁目标的跟踪定位。

针对这一趋势，我们设计了手持式智能三轴磁场计以对弱磁场进行测量。

设计中采用低功耗、高灵敏度、和高线性度的霍尼韦尔HMC1043三轴AMR（各向异性磁阻）磁场传感器，并通过单片机和其它放大控制电路，准确的测量出目标空间3维磁场的强度，判断出磁场的极性，该磁场计还特别适合弱磁场的测量。

本文以下内容将介绍磁场特点及测量原理、基本测量方法、手持式智能三轴磁场检测仪的设计，最后给予总结。

2 磁场与测量原理磁场测量技术所涉及的范围很广，从被测磁场强度范围看，它可以从10-15T （特斯拉）至103T 以上；从其频率看，它包括直流、工频、高频、及各种脉冲；从测量技术所应用的各种原理来看，它涉及到电磁效应、光磁效应、压磁效应、热效应等各种效应；从测量中所采用的技术来看，它包括指针仪表、数字仪表直至电子计算机的系统测量。

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华北电力大学（北京）硕士学位论文瞬态弱磁场测量系统的研究姓名：肖保明申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：王泽忠20040201每乾电力大学（ｊＥ靛）硬士学位论文予瀑态场予撬滚静溺量，渡｛鬟ｌ｜信号包含各种频率成分，丽显在空蔺各处的福值不阐。

测试系统不仅要能精确地测爨出场强螺值懿大小，还要熊褥到场强随时间交化终波形。

所以就必须根据不同的场、不同地测缀目的采用不同的测量探头。

１．２。

１弱羚疆突愦况早在２０懒纪６０年代黼外就开始了瞬态电场和磁场传感器的研究工作，当时主要是为了测鬣由核爆炸版产生电磁脉冲（ＮＥＭＰ）的瞬态电场和瞬态磁场，厩且主委是…些攀工的磷究税桷在进行研究工｛乍。

经们狠爨测爨的篱要开发磁各莘孛形式的瞬态电磁场测鬟探头。

最鞠开发静瞬惑电磁场传感系统中，电场探头为空心的球形偶极子（ＨＳＤ—ＨｏｌｌｏｗＳｐｈｅｒｉｃａｌＤｉｐｏｌｅ）结构：磁场探头为多间隙环（ＭＧＬ—ＭｕｌｔｉｇａｐＬｏｏｐ）结构…ｌ。

后来魄场探头的结橡榴继出现了激进圆锥形偎檄子（ＡＣＤ—ＡｓｙｍｐｔｏｔｉｃＣｏｎｉｃａｌＤｉｐｏｌｅ）探头、嵌入式阖盘形偶掇予（ＦｐＤ—Ｆｌｕ娩一ＰｌａｔｅＤｉｐｏｌｅ）攘头、圜校形单极偶扳子（ＣｙｌｉｎｄｒｉｃａｌＭｏｎｏｐｏｌｅＳｅｎｓｏｒ）＂２｝探头等，蔟结构分别斑图１—２所示。

磁场探头的结构还有多暇线圈环（Ｍ”ＦＬ—ＭｕｌｔｉｔｕｍＬｏｏｐ）探头、圆露Ｍｏｅｂｉｕｓ环（ＣＭＬ—ＣｙｌｉｎｄｒｉｃａｌＭｏｅｂｉｕｓＬｏｏｐ）、辫蔽环形线爨、自积分式传感嚣良及罄蔽拳环形磁场传感器｝２６３０１等形式，茭绩筏分粼麴霪ｌ～３联示。

锣盛瞬：、蠢蒜；每一“一《。

畦鹣墨∥；（ａ）ＨＳＤ传感箍（ａ）鞴ＧＬ侮感嚣（ｂ）ＡＣＤ传感蒙《ｅ）Ｐ黪传麓繇图１～２瞬态电场传感嚣ｎ）藏？Ｌ传搿器：ｃ）ｍ。

ｅｂｉｕｓ筇图１～３璐态磁场传感嚣器早期这黧灏璧探头辕蹬的信号都怒谶过霞辘电缆传至ｌ霹蔽浏爨孳或漭蔽室中避露溺耋瓣。

弱２０整缌８０年代涟羞必经技术靛发袋，馕褥测量镶号在强堍磁环壤下酌传输不褥受到限制。

囱虢一系列嵬纤传输系统代餐了惑缆簧输系统，使得激悫电磁场的测墩更加准确、可靠。

如法国Ｔｈｏｍｓｏｎ—ｃｓｆ公司研制的用于测量ＮＥＩｖｌＰ４龟、图３—９同轴电缆的衰减特性曲线将通过频谱分析仪测量到的电缆的衰减数据以对数坐标衷示就可以得到下面憝电缆衰减特性蓝线。

蕺１。

篓凝律：／ＩＩＨ霁强３—１０３０来电缆静袭减特往蕊线从一匕丽的曲线可以看出，电缆蜜际上相当于一个低通滤波器。

根据～３ｄＢ点，可以确定这种电缆可以使用的频率上线为７５ＭＨｚ。

而我们实际传输的信号的频率高达１００ＭＨｚ，爱良在越遭７５ＭＨｚ熬臻号经建毫缆黄竣爱螫然会霉ｌ起售号懿失囊。

为了确保所传输的脉冲储号不失真，就必须对同轴电缆的衰减进行补偿。

３。

４．２蔚辘瞧缆补偿电蹑螅设计通过上面的分析可知，信号在同轴电缆中传输时，其搦张随电缆长廉、信号频率的增加而增加。

因此在考虑对电缆的衰减进行补偿时，应该根据电缆的长度和所２３传输信号靛凝率来设计，实鬻中对电缆衰减遴霉亍｛｝偿一般采璃信号章｝缮器，也裁是一神线鼹均糖嚣，它题采用频率特一睦鹭电缆螅囊城特性蝴反的阻容网络寐羽’电缆的传输特性德行补偿。

懑３－１１蹩一爨基本绩警｛｝媸电臻瓣瑷理黧，该毫貉圭疆ｆ；努ＲＣ电路缎戏。

每一缀ＲＣ审联魄臻帮有一个中心频灌￡蟪电缀的强减瞧线分成Ａ段，对应予令段都稽…缀ＲＣ毫蘸予戬补偿。

图中ＲＣ蠢鼹是并联在三投管麴发射投电路上匏，板瓣发射投疆抗变化时姆引起放大级液大倍数躺燹讫。

蟊ｊ魏并联在发射辍的ＲＣ泡薅麴阻抗戆会隧频率的势‘意露躐小，这样键邀魏蕊蟠频祷淫｜｛蠡线藏跑较接近予逸缆鹣衰躐弱线豹毒｝嫠蘸线，鼓蕊实现对一定长发迦缆虼衰减进行孙偿。

翻３－１１补偿电路驭理图根疆此膘疆我们在北京光鞠电予公司定做了３０米筏电缆的补偿器。

囝３。

１０是信弩补偿器缒在４０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ辩豹频率将牲趋绫。

图３．１２补偿器的频率特性潮将信号｛｝馁器接雀３０洙嘏缆豁末端，在奄缆靛始端鸯鞋镕号溅褥箕频率薅瞧趣线懿下。

扶强３－ｔ１土丽驭爱赛，羚髅嚣戆够羚搂窀缆瓣衰溅，嚣且可以产生乎蚜２。

３ｄＢ麴增蕊。

绻会３．３节中分织的小售母放大器的情｝兄，可以得出，熬个磁场测量系统的放大倍数为４５ｄＢ左右，考虑翊谈蓬的影响，以借在埔蜀放大祷时藏大倍数筠灌４５ｄＢ（鄄１７７傣）采诗冀。

骚３－１３祷楼后瓣耄缆靛菝攀特戆３．５本誊砖、苇本帮介绍了如何刹用半剐性阎轴电缆设计自积分式磁场探头，采用高频同轴电缆作为傣号的传输通路，实现了瞬态弱磁场的测誊。

首先对自积分式磁场探头的交换橇瑷遂嚣了遴论分撬帮实验磷究，讨论了设诗１００ｋＨｚｔ００ＭＨｚ范麴海懿瞬悫磁场探测线圈积分电阻的选择问题。

设计了用于放大测爨信号的射频放大器以及放大器的实验情况。

最螽讨论了长鼯离传输信号辩丽电缆传输存在静倦号褒减闯舔，著掇据实黼溅量褥到浆瞧缆蛉衰减黪热设诗了模拟格接器，察现了对坝４爨售号的补偿。

王佟空溺肉懿波蘸接近睾蠢波，蒋过渡段鹣长发应为工份空闯高度豹２倍以上。

与横嗽磁波小室（ＴＥＭ－－ｃｅｌｌ）那耪封闲的金属壳体的结构相比，煮赛波模拟器的工作空间是向两侧开放的，要开阔得多，造价也比较低。

而且更为重要的是，封闭的金属壳体常使其中的电磁环境复杂化，可能会出现腔体谐振现蒙，这种情况在肖赛波模音彗ｌ器中就不存在。

在实舔静模拟器中，其愈场黧射器均聚埔金＿｜ｉ耄线裰代替金属叛，不仅避免了金属叛边缘的迤晕瑗象毂意压击穿翊题，嚣且在室终缎，｛牛Ｆ选提高了承载风载的能力。

本实验室建立的模拟器是以大地作为一个导电平面的，终端器是一个电阻值为２４０欧姆左右的水电阻。

模拟器的结构如图４—３，其实物模型妊萄４—４所示，其中平行线褥部分长６．０米，宽４．６米，高４．６米，传输线总长４５张。

终端臻图４—３以大地为导电平面的有界波模拟器胬４—４模掇器实耪模型２８———————————————————兰型些堂型！塞！塑主堂垡造壅体，躲；串源输出电压蜂值可以高达７００ｋＶ，且连续可调，可在长×宽×高：６ｍ×４．６ｍ×４ｔ６ｍ妁工作空蝴内形成离达１００ｋＶ／ｍ的蜂馕场强，脉冲的上升澄最短可达到１Ｏｎｓ，波形宽度：３００ｎｓ～５００ｎｓ，电场极化方向垂巍向上。

网４—８Ｍａｒｘ发生器原理圈鹜中，壹滚毫压添是经过交浚奄浚整滚禚褥裂瓣。

鑫｛褒滚藏压经缀拶；电隧是绘各级电容充电至直流高压源的电压％，各球隙的电压同时也达到％。

使图中１、３、５、７…等各点对缝酌窀位镱为砾，丽下酒各点２、４、６、８…的电位仍为零电位。

事先可以在各球隙中充满氮气，使其击穿电压比碥稍大，这样在充电过程中瞧们就不会叁击窘。

当触发时，点ｌ战电位瞬问地从Ｋ降至零。

由于电容器两端的电位差不戆突变，点４的邀经剜铁器来獒零瓣溜邃下降至～Ｉ，ｎ，由于点１、３和点４、６间铸有充电电黼霞闯隔，使３点的电位仍傈持源电德，这群在３和６之间的间隙所承受的电压就由原来的昧突然上升为２ｖｏ。

依次类推备间隙依次在电压Ｋ、２珉…、珏圪黪终髑下全部被击穷，这撵就将瓣来并联充电的电压环以串联放电的方式储增起米，图４—９Ｍａｒｘ发生器实物图通过最螽麓主开关输出裔援懿狰蘩黄输线主。

Ｍａｒｘ发生器中钶大量开关，这些开关同步或依次点火触发，完成所有开关的触发所需的时间必须控制在一定的范围肉，邵遇露所说的必须使触发“抖动”尽量减小而满足一定的指标要求。

为此，黢要求开关本巍戆魅发特援稳定瞧好，分散性小以外，触发脉冲必须足够陡，耦合电黻篷尽霹能小，在结梭设计上，应设法减小触发引线的分布电容和电感。

本实验室建立的Ｍａｒｘ发生器交钧如瀚４—９所示。

此脉冲豳４—１０瞬杰脉冲波形源产生的瞬态脉冲波形如图４一ｌＯ所承。

３４圈４～１２瞬态辣；串磁场豹波形隽终我翻将ＨＴ２１型磁场瓣爨系统溅蕊潮韵赫渖戮臻晦毽悸浚秘翊建Ａｎｓｙｓ毫磁隔分辑软件计葬得窝酌磁场避行了辩魏。

灞Ａｎｓｙｓ诗算褥到ＥＭＰ攘羧禚下磁琢分布如溺４一１３所示。

黼４一１３ＥＭＰ磁强分布黼髑Ａｎｓｙｓ建模计算时，根据窝际加的电聪德７×６５ｋｖ和传输线符雠阻抗（特髓融抗近似铸于传输线终端所援水电阻的黻值），子怒可黻计簿磁遴道佟输绒静电瀛，３７终为｛９００Ａ，建模时把传输线等效为长４．６ｍ，离０．１ｍ的导体，由电流，藏可戬褥到该撂体上流过的魄滚密度约为４１００Ａ／ｍ２。

经过诗冀鼓可以摄到ＥＭＰ模拟暴工俘空间下磁场的分布情况。

见图４—１３。

实验时磁场探头就放在图中所标值２２２．１０５Ａ／ｍ的附近。

考虑到模拟器的效率，可以新出磁场强度的测量结粜１９０Ａ／ｒｎ和计算结果２２２．１０５Ａ／ｍ院较接近。

（２）改变躲浊发生器羧鹦脉＿｝嘻ｌ匏土舞滋，馊输爨的歇冲比较平瀑，重复上嚣憋操作。

用示波器重新采集此时Ｈ１、２ｌ型磁场传感器和自制磁场探头测量到的脉冲磁场的波形，见图４～１４所示。

图４一１４脉冲上升沿变化时测到的脉冲磁场的波形从图可以着出此时磁场脉冲的上升淞猩ｌＯＯｎｓ左右，而鼠自制磁场探头测量到的脉冲磁场的波形和标准磁场探｛觅０爨到的波形慰加接近。

从豳可以得到ＨＩ、２１型磁场传感器所测到的磁场波形的蜂俊约为２Ｖ，粮壤土瑟的掰算方法胃酸樽到越对所代表蕊磁场强痰甄为ｉ８Ａ／ｍ。

对予耋裁磁场攘头测量烈瓣磁坜波形豹峰德从强上喾出程８Ｖ左右。

由此可知，勉时缓两耱磁场探头掰测波形驹辐镶计冀，瓣予鸯潮磁场搽头在这静耩猛下每ｉＶ戆感应奄压穗当于２。

２５Ａｉｍ熬磁场强发。

遮狰镳莱鞠上述褥茔ｌ豹｜．９Ａ／ｍ鸯镳差，可裁跫囊予嚣次溅量懿繇壤疆及终捌瓣波形不一襻遮藏魏。

（３）溅囊计冀橇开极搽鼋筝拜重嚣示嚣产童静脉狰磁场波形。

磁场探头放在显示器添约｛ｃｍ处，灏霪揉头霸戴示瓣平灏平行。

魏辩褥壤磁场探头灏不垂稼洚渡形，垂裁搽头通过射凝放大嚣嚣测爨瓤鹣躲；串波澎鳃鬻４。

１５所示，从圈上霹戳看出监对波３８形豹主舟涤在２眙Ｓ左右，ｉ鑫过溅霪弱静感应毫压毽扶图可以螽出在８００ｍＶ左右，此时磁场探头实际输出的感应电压值Ｕ；为一：季婆婺孽犁挚橐孽堡４＋５２ｍＶ放大器的放大倍数１７７式中放大器的放大倍数按第三章所讨论的敷１７７倍。

由此根据上面的折算方法，敬每ｌｖ静感应电藤相当于２。

２５Ａ／ｍ的磁场强渡，可以褥到诧时赫冲磁场赘峰餐约为４５２×１０一３×２．２５Ａ／ｍ≈１０×１０“３Ａ／ｍ图４－１５ＰＩＩＩ计算机开关操作产生的脉冲波形（４）在勇矫一台不阐型号静讨－算梳重笈３静操作，藏时标准磁场探头锯然测不刘默冲波形，爨制探头避过射频放大器后测量劐的欺；申波形如图４－１６辨示。

从图上可以看出此时波形的上升沿在ｔ／ａｓ左右，通过测量到的感应电压傲从图可以看出在４００ｍＶ左右，此时磁场探头实际输出的感应电压值Ｕｚ为Ⅳ，：蚕塑墨鎏型塑塑孚堕。